WO2010142866A1 - Banc de charge dynamique - Google Patents
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- G01M13/00—Testing of machine parts
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- G01M13/02—Gearings; Transmission mechanisms
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Definitions
- the present invention relates to a dynamic load bench for exerting radial loads and variable torques on the rotating shaft of a test mechanism, such as an actuator or the like, so as to reproduce as accurately as possible. as much as possible the mechanical stress or stress experienced by the actuator under actual conditions of use.
- the output shaft of the rotary actuator carries, in a rotationally fixed manner, an aerodynamic surface of an aircraft, such as a missile rudder or other machine traveling at high speed in a plane. a fluid medium, and it is then subjected to forces (radial loads) and hinge moments (couples) evolutionary and high, generated by the aerodynamic forces exerted on the rudder according to the steering angle thereof.
- the dynamical load bench of the invention aims to reproduce both radial loads and variable torques, depending on the angle of rotation taken by the output shaft of the rotary actuator, representative of the turning performed. by the governor.
- the torsion bar of the reproduction means of the bench is connected, on one side, directly to the shaft of the rotary actuator to be tested and, on the other side, is clamped so that when the actuator is thrown angularly, it generates a torque proportional to the angle of rotation of the steering.
- these torsion bar means exert restoring torques which do not make it possible to generate destabilizing and / or evolutionary loads as a function of the deflection of the rudder.
- they are too limited and do not allow to reliably validate the performance of the actuators in real flight conditions, so that, for lack of clear and precise data, the torsion bar reproducing means are overspecified to maintain margins.
- the torque generator of the reproduction means is directly coupled to the actuator and is defined, due to the dynamic performance required, by a hydraulic torque motor. If large torques can be thus tested, on the other hand, the relative movements appearing between the torque motor and the actuator pose problems by their inertia and their rigid connection since, when the shaft of one turns, the other tends to oppose so that shocks can occur up to destroy the material. This can be amplified by hydraulic motors that are overpowering.
- patent EP 0 239 264 discloses a test apparatus for applying a pure torque to collinear input and output shafts of a gearbox transmission for an aircraft engine.
- it comprises in particular a device for applying torque to two modules parallel and symmetrical with respect to the shafts, and comprising multiple gear mechanisms driven by rotary actuators to be able to pass the high power of the engine.
- the object of the present invention is to overcome the above drawbacks and to propose a dynamic load bench whose realization of the controllable means of reproduction makes it possible to exert, in a safe, reliable and safe manner, radial loads and variable torques. at least comparable to those encountered by the test mechanism under actual use conditions, so as to optimize the design and development of mechanisms such as rotary actuators.
- each module comprises:
- a rod-crank connection connecting the other end of said torsion bar to said test tree in a plane perpendicular thereto; and said driving shafts, so that in said perpendicular plane, said connecting rods of the two modules are parallel and symmetrically offset by 180 ° from each other with respect to the test tree and their shafts. respective drive by said cranks.
- the modular embodiment of the reproduction means in the form of two identical and symmetrical modules with respect to the actuator shaft with kinematic structure by motor-torque, torsion bar and connecting crank-crank allows to simultaneously exercise radial loads and variable pairs on it, unlike previous achievements requiring two different banks or two separate independent equipment of the same bench. From this design, it results mechanically a simpler and more reliable realization of the bench and a greater dynamic of operation without the problems inherent to the excitation frequencies.
- said drive shaft of each torque motor is hollow and has a through axial passage inside which said torsion bar is integrated with one of its ends secured to said hollow shaft and the other end coming out of said shaft. hollow and connected to said corresponding link crank-crank.
- said connecting rods are connected, on one side, to said rotary shaft to be tested by a double joint crank mounted at its center on said rotary shaft and carrying, at its diametrically opposite ends with respect to its center. , said biel- respectively, and, on the other hand, to said respective torsion bars by two identical single cranks, mounted offset by 180 ° from each other on said torsion bars.
- the two connecting rods arranged symmetrically and perpendicularly to the rotary shaft of the test mechanism (actuator) transmit (one pushes, the other pulls) and print on it radial loads and desired variable torques, corresponding to the aforementioned radial forces and hinge moments received by the shaft of the actuator of a rudder on which exerted significant aerodynamic forces.
- the connecting rods act as the opposite arms of a deformable parallelogram on the actuator shaft, in a plane perpendicular thereto, reproducing in a simple and safe way the forces and torques exerted on said shaft under actual conditions of use.
- said rods are mounted on the respective cranks of said links via angularly deflectable joints, such as for example articulations of the spherical type, ball joint.
- angularly deflectable joints such as for example articulations of the spherical type, ball joint.
- the spacing of said double crank separating the rotary shaft to be tested from each connecting rod is identical to the spacing between each single crank separating said torsion bar from said corresponding rod.
- said transmission rods are arranged orthogonally to the rotary shaft of the actuator to be tested and to the drive shafts of the torque motors.
- said torque motors of the modules are electrical, in particular of the brushless type.
- complex hydraulic systems and expensive installations are avoided with hydraulic torque motors.
- said torsion bars are calibrated in torsional stiffness, these functioning as calibrated torque meters (the angular difference from one end to the other of the bar corresponding to a given transmitted torsion torque).
- each module further comprises an angular position sensor of said torque motor drive shaft and an angular position sensor of said corresponding torsion bar
- said controllable means comprise an electronic control device of the angular position delivered by each sensor of said torque motors as a function of the angular position of the rotary shaft of said mechanism to be tested, and an electronic power device connected to said electronic servocontrol device and supplying said torque motors.
- each of the modules comprises electronic and / or mechanical means for limiting the angular travel and speed of each torque motor.
- Figure 1 is a schematic plan view in partial section of an exemplary embodiment of the dynamic load bench according to the invention.
- FIGS. 2 and 3 are diagrammatic views respectively from the side and from above of said dynamic load bench, illustrated in FIG.
- the dynamical load bench shown in FIGS. 1 to 3 comprises controllable means 2 for exerting radial loads and variable torques on the rotating shaft 3 of a rotary actuator to be tested 4.
- the The aim is to reproduce, as closely as possible, the stresses or stresses applied on the actuator shaft on which the aerodynamic rudder, not illustrated by a missile, is mounted, as a result of abrupt changes in direction and speed of the missile. this and, therefore, the turning of the rudder. And to design well actuators with trees, structurally and functionally safe and reliable.
- controllable means 2 are defined by two radial load reproduction modules and variable pairs 5 and 6, which are identical and arranged symmetrically and parallel to the geometric axis of the shaft 3 of the actuator.
- Each module 5, 6 is composed in particular of a torque motor 8, 9, a torsion bar 10, 1 1 and a connecting rod-cranks 12, 13, 14 with the shaft 3 of the actuator 4.
- each torque motor 8, 9 comprises a cylindrical body 8A, 9A inside which is rotatably mounted a drive shaft 8B, 9B through internal bearings 8C, 9C.
- the torque motors are preferably electric, brushless type for reasons of performance, reliability, low inertia, high torque, ... and the drive shaft rotation control is by electrical components (stator, rotor, ...) symbolized 8D, 9D in Figure 1 and housed in the cylindrical body 8A, 9A, around the corresponding shaft.
- any other type of torque motor such as fluidic (hydraulic), could be used.
- the dynamic load bench 1 comprises a rigid, stable mechanical support 7 on which the actuator to be tested 3 is reported and, by means of a common base 15, the two torque motors 8, 9 by their cylindrical bodies.
- the drive shaft 8B, 9B of each torque motor 8, 9 is advantageously hollow and receives inside the torsion bar 10, 1 1 coaxial with its respective shaft and intended to transmit the torsion torque printed by the drive shaft to the actuator shaft via the connecting rod-crank.
- a first end 1 OA, 1 1 A of each torsion bar is rigidly connected to a first end 8E, 9E of the hollow shaft by a fixing element 16, such as a pin or the like, ensuring the joining together in rotation of the shaft with the corresponding torsion bar.
- the second end 1 OB, 1 1 B of each of them turned towards the shaft of the actuator, opens axially from the second end 8F, 9F of the drive shaft, without connection with the latter, and is secured to the connecting rod-crank 12, 14.
- the second end 10B, 1 1 B of each torsion bar is then carried by a bearing 17 housed in the cylindrical body.
- the identical torsion bars of the two modules are of course calibrated in torsional stiffness.
- the first ends 8E, 9E of the drive shafts protrude from their corresponding bodies 8A, 9A and that they carry angular position sensors 18 of said shafts. 8B, 9B (Brushless motor rotors).
- the sensors 18, 19 used must be accurate to have wide bandwidth servocontrol loops and, for example, sensors of the resolver, encoder, potentiometer or other type may be envisaged.
- connections between the torsion bars 10, 1 1 of the modules and the shaft 3 of the actuator 4 they comprise two respective and parallel connecting rods 1 2A, 14A connected, on one side, by respective cranks 12B, 14B to the torsion bars 10, 1 1 and on the other side, by a common double crank 13, to the shaft 3 of the actuator 4.
- the two connecting rods 12A, 14A are thus arranged in a plane perpendicular to the parallel geometric axes of the drive shafts 8B, 9B (and thus torsion bars) of the modules 5, 6 and the actuator shaft, and are arranged symmetrically offset by 180 ° one of the other relative to the shaft 3 of the actuator.
- the links 12, 13, 14 are illustrated in an exploded manner for the sake of clarity.
- each single crank 12B, 14B has, near its ends, two parallel crank pins 12C, 12D, 14C, 14D, bent at 90 ° and opposite to the arm or body of the crank, a first crank pin cranked 12D, 14D of each crank being made coaxially secured to the second end 8F, 9F of the corresponding torsion bar, while the second crank pin 12C, 14C carries one end of the connecting rod 12A, 14A.
- the single cranks 12B, 14B are mounted offset by 180 ° from each other on the respective torsion bars 10, 1 1, so that in this figure the crank 12B is turned upward, while the crank 14B is turned down.
- the common dual crank 13 has, on one side, a central pin 13A mating with the shaft 3 of the actuator (for example, radial pins not shown rotate in solidarity the shaft at the central pin) and, on the other side, two diametrically opposite end pinions 13B, 13C with respect to the central pin 13A and on which are respectively mounted the second ends of the connecting rods 12A, 14A.
- crank pins 12C, 14C, 13B, 13C of the cranks 12B, 14B 13, angularly deflectable joints 20, such as spherical ball joints or elastic joints.
- controllable means 2 for reproducing radial loads and torques by the two modules 5, 6 also include electronic devices.
- a device The electronic servo control 21 makes it possible to know the angular position of each of the two rotary torque motors, as a function of the angular position of the actuator shaft, from the two angular position sensors 18 connected by respective links. to the servo device. It is thus possible to regulate the applied torque knowing that it is proportional to the angular difference between the angular position of the torque motor and that of the actuator.
- an electronic power device 24 for supplying for example the torque motors 8, 9 via a link 25, limiting the torque delivered and the maximum speed to compatible values with the possibilities of the actuator to be tested, avoiding damage to it.
- a test electronics 26 is connected to the servo-control device 21 via a link 27 and includes, in particular, specific programs for each type of actuator to be tested depending on the applications, missions, constraints, dimensions, etc. .
- the precise angular position sensors 18 of the two torque motors make it possible to determine the angle of rotation of the rotating shaft 3 of the actuator 4 to be tested even in the presence of a deflection (arrow) introduced by the application of the radial load provided by the corresponding rod (and representative of the action of aerodynamic loads acting on the missile rudder and, therefore, on the actuator shaft).
- ⁇ 1, ⁇ 2 rotation angles of the output shafts of the torque motors.
- the management of the radial force and the torque generated by the reproducing means 2 of the invention is achieved by means of the calibrated rudder of each torsion bar 10, 1 1 which acts as a torque sensor or torque meter calibrated according to the calibrated stiffness (the angular difference between the torsion angle at its end with the drive shaft and the torsion angle at its end with the connecting rod giving, for a given stiffness, a determined torque).
- the calibrated stiffness the angular difference between the torsion angle at its end with the drive shaft and the torsion angle at its end with the connecting rod giving, for a given stiffness, a determined torque.
- C1 Rm. (C / Ra + Fr) / 2
- C2 Rm. (C / Ra-Fr) / 2
- the angular position ⁇ a of the actuator shaft is known in real time by calculation from the information of the angular sensors 18, 19 sent in the servo-control device 21 (see calculation of ⁇ a above).
- Each torque motor is controlled in position by its sensor and the electronic servo 21 and power 24 devices.
- the bandwidth of the servo is greater than that of the actuator 4 to be tested to ensure proper tracking with a negligible phase shift and attenuation, without distortion of the signals.
- a bandwidth at least twice as high is used.
- Another advantage of the position control of each torque motor is to reject parasitic torque variations (notch torque or cogging torque), as well as dry and viscous friction (bearings, hysteresis pairs). .
- the controlled angular position ⁇ co ( ⁇ 1, ⁇ 2) to the torque motor 8, 9 is a function of the desired torque profile C1 (or C2).
- This torque profile is determined before the tests so as to do what we decided to reproduce on the actuator shaft (a torque with an angle of x °). We know that at every moment, we will have such torque with such radial force.
- the cutoff pulse ⁇ O is chosen to be about twice as high as that of the actuator.
- ⁇ damping of the near second order transfer function.
- angles ⁇ 1 and ⁇ 2 of the torque motors 8, 9 may cover an angular range of plus or minus 20-25 °.
- these angles ⁇ 1 and ⁇ 2 and the angle ⁇ a of the rotary shaft 3 of the actuator 4 are of course very close to each other but somewhat different, given the Ya deflection of the rotating shaft under the action of radial loads from the connecting rods.
- each module comprises electronic and mechanical means (not shown in the figures) to limit the deflection and the angular speed of the torque motors so as to protect the actuator and to make reliable and secure the bench accordingly .
- such a dynamic bench allows easier development of the actuators, a validation and justification of the specifications with respect to the operational requirements (torque / speed, acceleration, stiffness, ...), a reliable evaluation of the specified operational flight profile and a more realistic qualification and certification of the actuator.
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Abstract
Le banc de charge selon l'invention a pour but d'exercer, sur l'arbre rotatif (3) d'un mécanisme à tester (4), tel qu'un actionneur ou analogue, des charges radiales et couples variables délivrés par des moyens commandables de reproduction (2). Avantageusement, lesdits moyens commandables de reproduction (2) se composent de deux modules de reproduction identiques (5, 6), disposés parallèlement et symétriquement par rapport audit arbre rotatif (3) à tester, chacun d'eux comportant un moteur-couple (8,9), une barre de torsion (10, 11) et une liaison à bielle-manivelles (12, 13, 14) reliant la barre de torsion à l'arbre rotatif (3) du mécanisme à tester.
Description
Banc de charge dynamique.
La présente invention concerne un banc de charge dynamique destiné à exercer, sur l'arbre rotatif d'un mécanisme à tester, tel qu'un ac- tionneur ou analogue, des charges radiales et couples variables, de ma- nière à reproduire aussi fidèlement que possible les sollicitations ou contraintes mécaniques subies par l'actionneur lors de conditions réelles d'utilisation.
Dans une application préférentielle, quoique non exclusive, l'arbre de sortie de l'actionneur rotatif porte, de manière solidaire en rotation, une surface aérodynamique d'un aéronef, telle qu'une gouverne de missile ou autre engin circulant à grande vitesse dans un milieu fluide, et il est alors soumis à des efforts (charges radiales) et des moments de charnière (couples) évolutifs et élevés, engendrés par les forces aérodynamiques s'exerçant sur la gouverne selon l'angle de braquage de celle-ci. Aussi, le banc de charge dynamique de l'invention a pour but de reproduire aussi bien des charges radiales que des couples variables, fonction de l'angle de rotation pris par l'arbre de sortie de l'actionneur rotatif, représentatif du braquage exécuté par la gouverne. Et la valeur de ces efforts et moments pourra être modulée en fonction du temps pour repré- senter les différents points de vol du missile (variations lentes et/ou rapides de la vitesse, changements de trajectoire et d'altitude, ...) et se rapprocher au mieux des conditions réelles rencontrées, c'est-à-dire des charges opérationnelles aérodynamiques encaissées par l'actionneur pour, par la suite, optimiser sa conception. On connaît déjà des bancs de charge dynamique pour de tels ac- tionneurs, qui sont basés sur des moyens commandables de reproduction
du couple uniquement, à partir d'une barre de torsion ou d'un générateur de couple.
Dans le premier cas, la barre de torsion des moyens de reproduction du banc est liée, d'un côté, directement à l'arbre de l'actionneur rota- tif à tester et, de l'autre côté, est bridée de sorte que, quand l'actionneur se débat angulairement, il engendre un couple proportionnel à l'angle de rotation du braquage. Bien que d'une conception très basique, ces moyens à barre de torsion exercent des couples de rappel qui ne permettent pas d'engendrer des charges déstabilisantes et/ou évolutives en fonction du braquage de la gouverne. De plus, il sont trop limités et ne permettent pas de valider, de façon fiable, les performances des actionneurs dans des conditions réelles de vol, si bien que, par manque de données claires et précises, les moyens de reproduction à barre de torsion sont surspécifiés pour conserver des marges. Dans le second cas, le générateur de couple des moyens de reproduction est directement accouplé à l'actionneur et est défini, en raison des performances dynamiques requises, par un moteur-couple hydraulique. Si des couples importants peuvent être ainsi testés, en revanche, les mouvements relatifs apparaissant entre le moteur-couple et l'actionneur posent des problèmes par leur inertie et leur liaison rigide puisque, lorsque l'arbre de l'un tourne, l'autre tend à s'opposer de sorte que des chocs peuvent se produire allant jusqu'à détruire le matériel. Cela peut être amplifié par les moteurs hydrauliques qui sont surpuissants.
En plus de n'exercer que le couple sur l'arbre rotatif à tester (un autre banc spécifique étant nécessaire pour les charges radiales), ces bancs de charge dynamique ne répondent pas souvent à toutes les attentes et exigences souhaitées telles que :
- avoir une inertie apparente faible et un jeu d'accouplement nul pour ne pas perturber l'actionneur à tester ; idéalement, se comporter du point de vue dynamique comme un couple pur ;
- disposer d'une bande passante élevée de la boucle d'asservissement en couple, au moins du double de celle de l'actionneur à tester pour reproduire le profil de couple commandé, sans retard significatif ;
- disposer d'une saturation de vitesse et d'accélération nettement supérieure à celle de l'actionneur ;
- autoriser des désalignements fonctionnels entre l'actionneur et le banc pour une mise en œuvre aisée, ce qui implique une certaine souplesse de la liaison souvent incompatible avec une bande passante élevée de la boucle de couple ;
- assurer une gestion efficace des couples appliqués pour éviter toute surcharge, survitesse et mise en butée accidentelle qui pourrait s'avérer destructrice, ceci même en cas de défaillance de l'actionneur (coupure d'alimentation, panne, etc ...).
Certes, on connaît également, par le brevet US 7 080 565, un banc de charge dynamique qui permet d'appliquer sur l'arbre rotatif de l'actionneur à tester des efforts radiaux et couples dynamiques. Cepen- dant, les moyens commandables pour reproduire ceux-ci comprennent pour cela deux équipements distincts indépendamment l'un de l'autre avec des sous-ensembles spécifiques. Il est en particulier nécessaire de découpler mécaniquement l'application des efforts radiaux et des couples par des systèmes à cardans, glissières, articulations... compliqués. De plus, un encodeur doit être prévu pour mesurer la rotation de l'arbre de sortie de l'actionneur. Et les nombreux sous-ensembles et équipements en présence limitent par ailleurs l'excitation du banc à des fréquences élevées qui peuvent engendrer des résonnances parasites dommageables et entraînent également une mise en œuvre délicate.
On connaît de plus, par le brevet EP 0 239 264, un appareil d'essai destiné à appliquer un couple pur sur des arbres d'entrée et de sortie colinéaires d'une transmission type boîte de vitesses pour moteur d'aéronef. Pour cela, il comporte notamment un dispositif d'application du couple à deux modules parallèles et symétriques par rapport aux arbres, et comportant des mécanismes à engrenages multiples entraînés par des actionneurs rotatifs pour pouvoir passer la puissance importante du moteur.
La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients ci- dessus et de proposer un banc de charge dynamique dont la réalisation des moyens commandables de reproduction permet d'exercer, de façon sûre, fiable et sans risques, des charges radiales et des couples variables au moins comparables à ceux rencontrés par le mécanisme à tester dans des conditions réelles d'utilisation, de manière à optimiser la conception et la mise au point des mécanismes tels que les actionneurs rotatifs.
A cet effet, le banc de charge dynamique destiné à exercer, sur l'arbre rotatif d'un mécanisme à tester, tel qu'un actionneur ou analogue, des charges radiales et couples variables délivrés par des moyens commandables de reproduction se composant de deux modules de reproduction identiques, disposés parallèlement et symétriquement par rapport audit arbre rotatif à tester, est remarquable, selon l'invention, en ce que chaque module comporte :
• un moteur-couple à arbre d'entraînement parallèle audit arbre à tester, lesdits moteurs-couples desdits deux modules tournant dans le même sens ; une barre de torsion solidaire coaxialement, par l'une de ses extrémités, dudit arbre d'entraînement du moteur-couple ; et
• une liaison à bielle-manivelles reliant l'autre extrémité de ladite barre de torsion audit arbre à tester dans un plan perpendiculaire à ce der-
nier et auxdits arbres d'entraînement, de manière que, dans ledit plan perpendiculaire, lesdites bielles des deux modules soient parallèles et symétriquement décalées de 180° l'une de l'autre par rapport à l'arbre à tester et à leurs arbres d'entraînement respectifs par lesdites manivelles.
Ainsi, la réalisation modulaire des moyens de reproduction sous la forme de deux modules identiques et symétriques par rapport à l'arbre de l'actionneur à structure cinématique par moteur-couple, barre de torsion et liaison bielle-manivelles permet d'exercer simultanément des charges radiales et des couples variables sur celui-ci, contrairement aux réalisations antérieures nécessitant deux bancs différents ou deux équipements distincts indépendants d'un même banc. De cette conception, il en découle mécaniquement une réalisation plus simple et plus fiable du banc et une plus grande dynamique de fonctionnement sans les problèmes inhérents aux fréquences d'excitation.
Avantageusement, ledit arbre d'entraînement de chaque moteur- couple est creux et présente un passage axial traversant à l'intérieur duquel est intégrée ladite barre de torsion avec l'une de ses extrémités solidaire dudit arbre creux et l'autre extrémité sortant dudit arbre creux et reliée à ladite liaison bielle-manivelle correspondante. Par cet agencement coaxial de la barre de torsion à l'intérieur de l'arbre d'entraînement, les deux modules présentent une compacité appréciable, de sorte que l'encombrement du banc est fortement réduit, contrairement à la réalisation précitée antérieure, où la barre de torsion prolonge l'arbre d'entraînement du moteur.
Dans un mode préféré de réalisation, lesdites bielles de liaison sont reliées, d'un côté, audit arbre rotatif à tester par une manivelle commune double montée en son centre sur ledit arbre rotatif et portant, à ses extrémités diamétralement opposées par rapport à son centre, lesdites biel-
les respectivement, et, de l'autre côté, auxdites barres de torsion respectives par deux manivelles simples identiques, montées décalées de 180° l'une de l'autre sur lesdites barres de torsion.
Ainsi, les deux bielles, agencées symétriquement et perpendiculai- rement à l'arbre rotatif du mécanisme à tester (actionneur) transmettent (l'une pousse, l'autre tire) et impriment sur celui-ci des charges radiales et couples variables souhaités, correspondant aux efforts radiaux et aux moments de charnière précités encaissés par l'arbre de l'actionneur d'une gouverne sur laquelle s'exercent des forces aérodynamiques importantes. Grâce aux deux modules symétriques, les bielles agissent comme les bras opposés d'un parallélogramme déformable sur l'arbre de l'actionneur, dans un plan perpendiculaire à celui-ci, en reproduisant de manière simple et sûre les efforts et couples s'exerçant sur ledit arbre dans les conditions réelles d'utilisation. Avantageusement, lesdites bielles sont montées sur les manivelles respectives desdites liaisons par l'intermédiaire d'articulations à débattement angulaire, telles que par exemple des articulations du type sphérique, à rotule. Ainsi, avec un tel montage, il n'est pas nécessaire de prévoir un positionnement précis entre l'actionneur à tester et les deux modules grâce aux articulations à rotules qui confèrent un isostatisme naturel au banc dans son ensemble et rattrapent les différents jeux et débattements fonctionnels.
Dans un mode particulier de réalisation, l'entraxe de ladite manivelle double séparant l'arbre rotatif à tester de chaque bielle est identique à l'entraxe de chaque manivelle simple séparant ladite barre de torsion de ladite bielle correspondante. Ainsi, lesdites bielles de transmission sont agencées orthogonalement à l'arbre rotatif de l'actionneur à tester et aux arbres d'entraînement des moteurs-couples.
Pour des raisons de performance, fiabilité, faible inertie et de couples volumique et massique importants, on préfère que lesdits moteurs- couples des modules soient électriques notamment du type sans balais. On évite, par ailleurs, les systèmes hydrauliques complexes et installations coûteuses (compresseurs, accumulateurs, ...) à prévoir avec des moteurs- couples hydrauliques.
De plus, lesdites barres de torsion sont calibrées en raideur de torsion, celles-ci fonctionnant comme des couplemètres étalonnés (la différence angulaire d'une extrémité à l'autre de la barre correspondant à un couple de torsion transmis donné).
Selon une autre caractéristique, chaque module comprend de plus un capteur de position angulaire dudit arbre d'entraînement du moteur- couple et un capteur de position angulaire de ladite barre de torsion correspondante, et lesdits moyens commandables comportent un dispositif électronique d'asservissement de la position angulaire délivrée par chaque capteur desdits moteurs-couples en fonction de la position angulaire de l'arbre rotatif dudit mécanisme à tester, et un dispositif électronique de puissance relié audit dispositif électronique d'asservissement et alimentant lesdits moteurs-couples. De préférence, chacun des modules comporte des moyens électroniques et/ou mécaniques pour limiter le débattement et la vitesse angulaires de chaque moteur-couple. Ainsi, en cas de défaillance de l'actionneur, son débattement est limité par celui des moteurs-couples et la raideur des barres de torsion, de sorte qu'il n'est pas endommagé, contrairement aux bancs précédents.
Les figures du dessin annexé feront bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. Sur ces figures, des références identiques désignent des éléments semblables.
La figure 1 est une vue en plan schématique et en coupe partielle d'un exemple de réalisation du banc de charge dynamique conformément à l'invention.
Les figures 2 et 3 sont des vues schématiques respectivement de côté et de dessus dudit banc de charge dynamique, illustré sur la figure 1 .
Le banc de charge dynamique représenté sur les figures 1 à 3 comporte des moyens commandables 2 pour exercer des charges radiales et des couples variables sur l'arbre tournant 3 d'un actionneur rotatif à tester 4. Comme on l'a indiqué précédemment, le but est de reproduire, aussi fidèlement que possible, les contraintes ou sollicitations appliquées sur l'arbre de l'actionneur sur lequel est montée la gouverne aérodynamique non illustrée d'un missile, par suite de changements brusques de direction et de vitesse de celui-ci et, donc, du braquage de la gouverne. Et de concevoir ainsi des actionneurs avec des arbres, structurellement et fonctionnellement sûrs et fiables.
Pour cela, les moyens commandables 2 sont définis par deux modules de reproduction des charges radiales et des couples variables 5 et 6, qui sont identiques et agencés symétriquement et parallèlement par rapport à l'axe géométrique de l'arbre 3 de l'actionneur. Chaque module 5, 6 se compose notamment d'un moteur-couple 8, 9, d'une barre de torsion 10, 1 1 et d'une liaison à bielle-manivelles 12, 13, 14 avec l'arbre 3 de l'actionneur 4.
Structurellement, chaque moteur-couple 8, 9 comporte un corps cylindrique 8A, 9A à l'intérieur duquel est monté rotatif un arbre d'entraînement 8B, 9B par l'intermédiaire de roulements internes 8C, 9C. Dans cet exemple, les moteurs-couples sont de préférence électriques, du type sans balais (brushless) pour des raisons de performance, fiabilité, faible inertie, couple important, ... et la commande en rotation des arbres d'entraînement se fait par des composants électriques (stator, rotor, ...)
symbolisés en 8D, 9D sur la figure 1 et logés dans le corps cylindrique 8A, 9A, autour de l'arbre correspondant. Bien entendu, tout autre type de moteur-couple, tel que fluidique (hydraulique), pourrait être utilisé. Par ailleurs, le banc de charge dynamique 1 comporte un support mécanique 7 rigide, stable, sur lequel sont rapportés l'actionneur à tester 3 et, par l'intermédiaire d'une embase commune 15, les deux moteurs-couples 8, 9 par leurs corps cylindriques.
Géométriquement, on voit sur les figures 1 à 3, que les arbres d'entraînement parallèles 8B, 9B des moteurs-couples sont respectivement disposés symétriquement par rapport à l'arbre tournant 3 de l'actionneur 4, les axes géométriques des arbres d'entraînement 8B, 9B et de l'arbre à tester 3 étant contenus dans un même plan horizontal P.
L'arbre d'entraînement 8B, 9B de chaque moteur-couple 8, 9 est avantageusement creux et reçoit à l'intérieur la barre de torsion 10, 1 1 coaxiale à son arbre respectif et destinée à transmettre le couple de torsion imprimé par l'arbre d'entraînement à l'arbre de l'actionneur via la liaison à bielle-manivelles. Pour cela, une première extrémité 1 OA, 1 1 A de chaque barre de torsion est liée rigidement à une première extrémité 8E, 9E de l'arbre creux par un élément de fixation 16, tel qu'une goupille ou autre, assurant la solidarisation en rotation de l'arbre avec la barre de torsion correspondante. Et la seconde extrémité 1 OB, 1 1 B de chacune d'elles, tournée vers l'arbre de l'actionneur, débouche axialement de la seconde extrémité 8F, 9F de l'arbre d'entraînement, sans liaison avec cette dernière, et est solidaire de la liaison à bielle-manivelle 12, 14. La seconde extrémité 10B, 1 1 B de chaque barre de torsion est alors portée par un roulement 17 logé dans le corps cylindrique. Les barres de torsion identiques des deux modules sont bien entendu calibrées en raideur de torsion.
Par ailleurs, on remarque que les premières extrémités 8E, 9E des arbres d'entraînement (et donc celles des barres de torsion) font saillie par rapport à leurs corps correspondants 8A, 9A et qu'elles portent des capteurs de position angulaire 18 desdits arbres 8B, 9B (rotors des moteurs- couples brushless). Il en va de même pour les secondes extrémités 10B, 1 1 B des barres de torsion 10, 1 1 , sur lesquelles sont montés des capteurs 19 de position angulaire logés dans les corps cylindriques correspondants. Les capteurs 18, 19 utilisés doivent être précis pour avoir des boucles d'asservissement à large bande passante et, par exemple, des capteurs du type résolveur, codeur, potentiomètre ou autre peuvent être envisagés.
En ce qui concerne les liaisons entre les barres de torsion 10, 1 1 des modules et l'arbre 3 de l'actionneur 4, elles comprennent deux bielles respectives et parallèles 1 2A, 14A reliées, d'un côté, par des manivelles respectives 12B, 14B aux barres de torsion 10, 1 1 et de l'autre côté, par une manivelle double commune 13, à l'arbre 3 de l'actionneur 4. Les deux bielles de liaison 12A, 14A sont ainsi disposées dans un plan perpendiculaire aux axes géométriques parallèles des arbres d'entraînement 8B, 9B (et donc des barres de torsion) des modules 5, 6 et de l'arbre de l'actionneur, et sont agencées symétriquement décalées de 180° l'une de l'autre par rapport à l'arbre 3 de l'actionneur. On voit, sur la figure 1 , que les liaisons 12, 13, 14 sont illustrées de manière éclatée par souci de clarté.
En particulier, chaque manivelle simple 12B, 14B présente, au voisinage de ses extrémités, deux manetons parallèles 12C, 12D, 14C, 14D, coudés à 90° et de manière opposée par rapport au bras ou corps de la manivelle, un premier maneton coudé 12D, 14D de chaque manivelle étant rendu coaxialement solidaire de la seconde extrémité 8F, 9F de la barre de torsion correspondante, tandis que le second maneton coudé 12C, 14C porte l'une des extrémités de la bielle de liaison 12A, 14A.
On remarque notamment, sur la figure 2, que les manivelles simples 12B, 14B sont montées de manière décalée de 180° l'une de l'autre sur les barres de torsion respectives 10, 1 1 , de sorte que, sur cette figure, la manivelle 12B est tournée vers le haut, tandis que la manivelle 14B est tournée vers le bas.
Par ailleurs, la manivelle double commune 13 présente, d'un côté, un maneton central 13A s'accouplant à l'arbre 3 de l'actionneur (par exemple, des ergots radiaux non représentés solidarisent en rotation l'arbre au maneton central) et, de l'autre côté, deux manetons d'extrémité diamétralement opposés 13B, 13C par rapport au maneton central 13A et sur lesquels sont montées respectivement les secondes extrémités des bielles de liaison 12A, 14A.
On prévoit, de plus, entre les extrémités des deux bielles 12A, 14A et leurs manetons respectifs 12C, 14C, 13B, 13C des manivelles 12B, 14B, 13, des articulations à débattement angulaire 20, telles que des articulations sphériques à rotule ou des articulations élastiques.
On remarque également, dans la représentation illustrée figure 2, que l'entraxe Ra séparant chaque maneton opposé 13B, 13C du maneton central 13A de la manivelle double 13 est égal à l'entraxe Rm séparant les deux premiers manetons 12D, 14D des deux seconds manetons 12C, 14C des manivelles simples 12B, 14B, de sorte que les deux bielles parallèles de liaison 12A, 14A se trouvent agencées horizontalement sur la figure 2 et orthogonalement à l'arbre 3 de l'actionneur. Bien entendu, d'autres rapports pourraient être choisis sans nuire au fonctionnement du banc, les deux bielles parallèles étant alors simplement inclinées par rapport à l'horizontale.
Ces moyens commandables de reproduction 2 des charges radiales et des couples par les deux modules 5, 6 comprennent aussi des dispositifs électroniques. Par exemple, comme le montre la figure 1 , un dispositif
électronique d'asservissement 21 permet de connaître la position angulaire de chacun des deux moteurs-couples rotatifs, en fonction de la position angulaire de l'arbre de l'actionneur, à partir des deux capteurs de position angulaire 18 reliés par des liaisons respectives 23 au dispositif d'asservissement. On peut ainsi réguler le couple appliqué sachant que celui-ci est proportionnel à la différence angulaire entre la position angulaire du moteur-couple et celle de l'actionneur. En sortie du dispositif électronique d'asservissement 21 est prévu un dispositif électronique de puissance 24 pour alimenter par exemple les moteurs-couples 8, 9 par une liaison 25, en limitant le couple délivré et la vitesse maximum à des valeurs compatibles aves les possibilités de l'actionneur à tester, évitant l'endommagement de celui-ci.
Bien entendu, une électronique de test 26 est reliée au dispositif d'asservissement 21 par une liaison 27 et inclut notamment des pro- grammes spécifiques pour chaque type d'actionneurs à tester en fonction des applications, missions, contraintes, dimensions, etc ...
Du fait d'une certaine liberté fonctionnelle offerte par les articulations à rotule 20 des liaisons bielles-manivelles, assurant le rattrapage des jeux, entraxes et débattements angulaires et conférant ainsi l'isostatisme du banc, un positionnement précis entre les moteurs-couples 8, 9 et l'actionneur 4 n'est pas nécessaire. En revanche, les capteurs précis de position angulaire 18 des deux moteurs-couples permettent la détermination de l'angle de rotation de l'arbre tournant 3 de l'actionneur 4 à tester même en présence d'une déflexion (flèche) introduite par l'application de la charge radiale fournie par la bielle correspondante (et représentative de l'action des charges aérodynamiques s'exerçant sur la gouverne du missile et, donc, sur l'arbre de l'actionneur).
L'angle de rotation θa de l'arbre de sortie et la déflexion Ya de ce dernier peuvent être déterminés par les formules suivantes (figure 2) :
θa = Rm/Ra . (Θ1 +θ2)/2 et
Ya = Rm . (Θ1 - θ2)/2 où Rm = bras de levier de la manivelle bielle-moteur-couple Ra = bras de levier de la manivelle bielle-actionneur
Θ1 , Θ2 = angles de rotation des arbres de sortie des moteurs- couples.
La gestion de l'effort radial et du couple engendrés par les moyens de reproduction 2 de l'invention est réalisée par l'intermédiaire de la rai- deur calibrée de chaque barre de torsion 10, 1 1 qui agit comme un capteur de couple ou couplemètre étalonné selon la raideur calibrée (la différence angulaire entre l'angle de torsion à son extrémité avec l'arbre d'entraînement et l'angle de torsion à son extrémité avec la bielle donnant, pour une raideur donnée, un couple déterminé). Supposons un effort radial Fr et un couple C à exercer sur l'arbre 3 de l'actionneur à tester. Chacun des deux moteurs-couples 8, 9 alors alimentés engendre un couple C1 et C2 et exerce sur les bielles 12A et 14A, via les barres 10 et 1 1 , un effort radial F1 et F2.
On a par les relations usuelles de mécanique : F1 = C1 /Rm et F2 = C2/Rm (Rm : voir ci-dessus)
C = (F1 + F2) . Ra (Ra : voir ci-dessus) Fr = F1 + F2 d'où l'on extrait les efforts et les couples à commander aux deux moteurs- couples : F1 = (C/Ra + Fr)/2 et F2 = (C/Ra-Fr)/2
C1 = Rm . (C/Ra + Fr)/2 C2 = Rm . (C/Ra-Fr)/2
A partir de là, les couples C1 et C2 sur les deux moteurs-couples sont fournis de la façon suivante.
0 000416
14
On sait que la position angulaire θa de l'arbre de l'actionneur est connue en temps réel par calcul à partir des informations des capteurs angulaires 18, 19 envoyés dans le dispositif d'asservissement 21 (voir calcul de θa ci-dessus). Chaque moteur-couple est asservi en position par son capteur et les dispositifs électroniques d'asservissement 21 et de puissance 24.
Bien évidemment, la bande passante de l'asservissement est supérieure à celle de l'actionneur 4 à tester pour assurer un suivi approprié avec un déphasage et une atténuation négligeables, sans distorsion des signaux. Pour cela, une bande passante au moins deux fois supérieure est utilisée.
Par ailleurs, un autre avantage de l'asservissement en position de chaque moteur-couple est de réjecter les variations de couple parasite (couple d'encoche ou cogging torque), ainsi que les frottements secs et visqueux (roulements, couples d'hystérésis).
La position angulaire commandée θco (Θ1 , Θ2) au moteur-couple 8, 9 est fonction du profil de couple souhaité C1 (ou C2). Ce profil de couple est déterminé avant les tests de manière à faire ce que l'on a décidé de reproduire sur l'arbre de l'actionneur (un couple avec un angle de x°). On sait qu'à chaque instant, on aura tel couple avec tel effort radial. Par exemple, pour un couple à simuler de la forme C1 = Kθa + CO, où K est une raideur aérodynamique (dépendant du point de vol, altitude, vitesse, ...), θa est la position angulaire de l'arbre de l'actionneur et CO est un couple constant indépendant de θa, et en supposant que la raideur de la barre de torsion soit égale à KO, on commandera un angle θco tel que : KO (θ-θa) = Kθa + CO soit θco = (K/K0 + 1 ) θa + CO/KO en supposant θ sensiblement égal à θco.
En fait, la fonction de transfert reliant θ à θco résultant de l'asservissement en position du moteur-couple sera de la forme :
θ/θco = 1 /(1 + a.p + b.p2 + c.p3) avec : b = 1 /ωO2 a = 2ξ/ωO c/b < < 1 /ωO p = Opérateur de Laplace
La pulsation de coupure ωO est choisie pour être environ deux fois plus élevée que celle de l'actionneur. ξ = amortissement de la fonction de transfert du deuxième ordre ap- proximée. Pour améliorer la dynamique du contrôle de couple, il est préférable d'effectuer une avance de phase filtrée sur θco.
Par exemple, les angles Θ1 et Θ2 des moteurs-couples 8, 9 peuvent couvrir une plage angulaire de plus ou moins 20-25°. Lors d'un test, ces angles Θ1 et Θ2 ainsi que l'angle θa de l'arbre rotatif 3 de l'actionneur 4 sont bien entendu très proches les uns des autres mais quelque peu différents, compte-tenu de la déflexion Ya de l'arbre rotatif sous l'action des charges radiales issues des bielles.
On ajoute, par ailleurs, que chaque module comporte des moyens électroniques et mécaniques (non représentés sur les figures) pour limiter le débattement et la vitesse angulaires des moteurs-couples de sorte à protéger l'actionneur et à fiabiliser et sécuriser en conséquence le banc.
Ainsi, outre un montage et un démontage rapides des composants du banc en raison de la modularité de celui-ci et de l'absence d'interaction entre lesdits composants, un tel banc dynamique permet une mise au point plus facile des actionneurs, une validation et justification des spécifications vis-à-vis des besoins opérationnels (couple/vitesse, accélération, raideur, ...), une évaluation fiable du profil de vol opérationnel spécifié et une qualification et certification de l'actionneur plus réalistes.
Claims
1. Banc de charge dynamique destiné à exercer, sur l'arbre rotatif (3) d'un mécanisme à tester (4), tel qu'un actionneur ou analogue, des charges radiales et couples variables délivrés par des moyens commanda- bles de reproduction (2), lesdits moyens commandables de reproduction desdites charges radiales et desdits couples variables se composant de deux modules de reproduction identiques (5, 6), disposés parallèlement et symétriquement par rapport audit arbre rotatif (3) à tester, caractérisé en ce que chaque module (5, 6) comporte : un moteur-couple (8, 9) à arbre d'entraînement (8B, 9B) parallèle audit arbre à tester, lesdits moteurs-couples desdits deux modules tournant dans le même sens ; une barre de torsion (10, 1 1 ) solidaire coaxialement, par l'une de ses extrémités, dudit arbre d'entraînement du moteur-couple ; et une liaison à bielle-manivelles (12, 13, 14) reliant l'autre extrémité de ladite barre de torsion audit arbre à tester dans un plan perpendiculaire à ce dernier et auxdits arbres d'entraînement, de manière que, dans ledit plan perpendiculaire, lesdites bielles des deux modules soient parallèles et symétriquement décalées de 180° l'une de l'autre par rapport à l'arbre à tester et à leurs arbres d'entraînement respectifs par lesdites manivelles.
2. Banc selon la revendication 1 , caractérisé en ce que ledit arbre d'entraînement (8B, 9B) de chaque moteur-couple est creux et présente un passage axial traversant à l'intérieur duquel est intégrée ladite barre de torsion (10, 1 1 ) avec l'une de ses extrémités solidaire dudit arbre creux et l'autre extrémité sortant dudit arbre creux et reliée à ladite liaison bielle-manivelles correspondante.
3. Banc selon l'une des revendications 1 et 2, 0 000416
17
caractérisé en ce que lesdites bielles (12A, 14A) des liaisons (12, 14) sont reliées, d'un côté, audit arbre rotatif (3) à tester par une manivelle commune double (13) montée en son centre sur ledit arbre rotatif et portant, à ses extrémités diamétralement opposées par rapport à son centre, lesdites bielles respectivement et, de l'autre côté, auxdites barres de torsion respectives (10, 1 1 ) par deux manivelles simples (12B, 14B) identiques, montées décalées de 180° l'une de l'autre sur lesdites barres de torsion.
4. Banc selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que lesdites bielles (12A, 14A) sont montées sur les manivelles respectives (12B, 14B) desdites liaisons par l'intermédiaire d'articulations à débattement angulaire (20).
5. Banc selon la revendication 4, caractérisé en ce que lesdites articulations à débattement angulaire (20) sont du type sphérique, à rotule.
6. Banc selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que l'entraxe de ladite manivelle double (13) séparant l'arbre rotatif à tester de chaque bielle est identique à l'entraxe de chaque manivelle simple (12B, 14B) séparant ladite barre de torsion (10, 1 1 ) de ladite bielle correspondante (12A, 14A).
7. Banc selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que lesdits moteurs-couples (8, 9) des modules (5, 6) sont électriques du type sans balais.
8. Banc selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que lesdites barres de torsion (10, 1 1 ) sont calibrées en raideur de torsion.
9. Banc selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que chaque module (5, 6) comprend de plus un capteur de position angulaire (18) dudit arbre d'entraînement du moteur-couple et un capteur de position angulaire (19) de ladite barre de torsion correspon- dante, et en ce que lesdits moyens commandables (2) comportent un dispositif électronique d'asservissement (21 ) de la position angulaire délivrée par chaque capteur desdits moteurs-couples en fonction de la position angulaire de l'arbre rotatif dudit mécanisme à tester, et un dispositif électronique de puissance (24) relié audit dispositif d'asservissement et alimen- tant lesdits moteurs-couples.
10. Banc selon l'une quelconque des revendications précédentes 1 à 9, caractérisé en ce que chacun des modules (5, 6) comporte des moyens électroniques et/ou mécaniques pour limiter le débattement et la vitesse angulaires de chaque moteur-couple.
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